http://www.ruanyifeng.com/blog/2007/10/ascii_unicode_and_utf-8.html
一、ASCII 碼
我們知道，計算機(jī)內(nèi)部，所有信息最終都是一個二進(jìn)制值。每一個二進(jìn)制位（bit）有0和1兩種狀態(tài)，因此八個二進(jìn)制位就可以組合出256種狀態(tài)，這被稱為一個字節(jié)（byte）。也就是說，一個字節(jié)一共可以用來表示256種不同的狀態(tài)，每一個狀態(tài)對應(yīng)一個符號，就是256個符號，從0000000到11111111。
上個世紀(jì)60年代，美國制定了一套字符編碼，對英語字符與二進(jìn)制位之間的關(guān)系，做了統(tǒng)一規(guī)定。這被稱為 ASCII 碼，一直沿用至今。
ASCII 碼一共規(guī)定了128個字符的編碼，比如空格SPACE是32（二進(jìn)制00100000），大寫的字母A是65（二進(jìn)制01000001）。這128個符號（包括32個不能打印出來的控制符號），只占用了一個字節(jié)的后面7位，最前面的一位統(tǒng)一規(guī)定為0。
二、非 ASCII 編碼
英語用128個符號編碼就夠了，但是用來表示其他語言，128個符號是不夠的。比如，在法語中，字母上方有注音符號，它就無法用 ASCII 碼表示。于是，一些歐洲國家就決定，利用字節(jié)中閑置的最高位編入新的符號。比如，法語中的é的編碼為130（二進(jìn)制10000010）。這樣一來，這些歐洲國家使用的編碼體系，可以表示最多256個符號。
但是，這里又出現(xiàn)了新的問題。不同的國家有不同的字母，因此，哪怕它們都使用256個符號的編碼方式，代表的字母卻不一樣。比如，130在法語編碼中代表了é，在希伯來語編碼中卻代表了字母Gimel
(?)，在俄語編碼中又會代表另一個符號。但是不管怎樣，所有這些編碼方式中，0--127表示的符號是一樣的，不一樣的只是128--255的這一段。
至于亞洲國家的文字，使用的符號就更多了，漢字就多達(dá)10萬左右。一個字節(jié)只能表示256種符號，肯定是不夠的，就必須使用多個字節(jié)表達(dá)一個符號。比如，簡體中文常見的編碼方式是 GB2312，使用兩個字節(jié)表示一個漢字，所以理論上最多可以表示 256 x 256 = 65536 個符號。
中文編碼的問題需要專文討論，這篇筆記不涉及。這里只指出，雖然都是用多個字節(jié)表示一個符號，但是GB類的漢字編碼與后文的 Unicode 和 UTF-8 是毫無關(guān)系的。
三. Unicode
正如上一節(jié)所說，世界上存在著多種編碼方式，同一個二進(jìn)制數(shù)字可以被解釋成不同的符號。因此，要想打開一個文本文件，就必須知道它的編碼方式，否則用錯誤的編碼方式解讀，就會出現(xiàn)亂碼。為什么電子郵件常常出現(xiàn)亂碼？就是因為發(fā)信人和收信人使用的編碼方式不一樣。
可以想象，如果有一種編碼，將世界上所有的符號都納入其中。每一個符號都給予一個獨(dú)一無二的編碼，那么亂碼問題就會消失。這就是 Unicode，就像它的名字都表示的，這是一種所有符號的編碼。
Unicode 當(dāng)然是一個很大的集合，現(xiàn)在的規(guī)模可以容納100多萬個符號。每個符號的編碼都不一樣，比如，U+0639表示阿拉伯字母Ain，U+0041表示英語的大寫字母A，U+4E25表示漢字嚴(yán)。具體的符號對應(yīng)表，可以查詢unicode.org，或者專門的漢字對應(yīng)表。
四、Unicode 的問題
需要注意的是，Unicode 只是一個符號集，它只規(guī)定了符號的二進(jìn)制代碼，卻沒有規(guī)定這個二進(jìn)制代碼應(yīng)該如何存儲。
比如，漢字嚴(yán)的 Unicode 是十六進(jìn)制數(shù)4E25，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)足足有15位（100111000100101），也就是說，這個符號的表示至少需要2個字節(jié)。表示其他更大的符號，可能需要3個字節(jié)或者4個字節(jié)，甚至更多。
這里就有兩個嚴(yán)重的問題，第一個問題是，如何才能區(qū)別 Unicode 和 ASCII ？計算機(jī)怎么知道三個字節(jié)表示一個符號，而不是分別表示三個符號呢？第二個問題是，我們已經(jīng)知道，英文字母只用一個字節(jié)表示就夠了，如果 Unicode 統(tǒng)一規(guī)定，每個符號用三個或四個字節(jié)表示，那么每個英文字母前都必然有二到三個字節(jié)是0，這對于存儲來說是極大的浪費(fèi)，文本文件的大小會因此大出二三倍，這是無法接受的。
它們造成的結(jié)果是：1）出現(xiàn)了 Unicode 的多種存儲方式，也就是說有許多種不同的二進(jìn)制格式，可以用來表示 Unicode。2）Unicode 在很長一段時間內(nèi)無法推廣，直到互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。
五、UTF-8
互聯(lián)網(wǎng)的普及，強(qiáng)烈要求出現(xiàn)一種統(tǒng)一的編碼方式。UTF-8 就是在互聯(lián)網(wǎng)上使用最廣的一種 Unicode 的實現(xiàn)方式。其他實現(xiàn)方式還包括 UTF-16（字符用兩個字節(jié)或四個字節(jié)表示）和 UTF-32（字符用四個字節(jié)表示），不過在互聯(lián)網(wǎng)上基本不用。重復(fù)一遍，這里的關(guān)系是，UTF-8 是 Unicode 的實現(xiàn)方式之一。
UTF-8 最大的一個特點，就是它是一種變長的編碼方式。它可以使用1~4個字節(jié)表示一個符號，根據(jù)不同的符號而變化字節(jié)長度。
UTF-8 的編碼規(guī)則很簡單，只有二條：
1）對于單字節(jié)的符號，字節(jié)的第一位設(shè)為0，后面7位為這個符號的 Unicode 碼。因此對于英語字母，UTF-8 編碼和 ASCII 碼是相同的。
2）對于n字節(jié)的符號（n > 1），第一個字節(jié)的前n位都設(shè)為1，第n + 1位設(shè)為0，后面字節(jié)的前兩位一律設(shè)為10。剩下的沒有提及的二進(jìn)制位，全部為這個符號的 Unicode 碼。
下表總結(jié)了編碼規(guī)則，字母x表示可用編碼的位。
<pre style="margin: 0px; padding: 0px; list-style-type: none; text-align: left; text-decoration: none; font-weight: normal; font-style: normal; border: none; color: rgb(17, 17, 17);">Unicode符號范圍 | UTF-8編碼方式
(十六進(jìn)制) | （二進(jìn)制）
----------------------+---------------------------------------------
0000 0000-0000 007F | 0xxxxxxx
0000 0080-0000 07FF | 110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800-0000 FFFF | 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000-0010 FFFF | 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
</pre>
跟據(jù)上表，解讀 UTF-8 編碼非常簡單。如果一個字節(jié)的第一位是0，則這個字節(jié)單獨(dú)就是一個字符；如果第一位是1，則連續(xù)有多少個1，就表示當(dāng)前字符占用多少個字節(jié)。
下面，還是以漢字嚴(yán)為例，演示如何實現(xiàn) UTF-8 編碼。
嚴(yán)的 Unicode 是4E25（100111000100101），根據(jù)上表，可以發(fā)現(xiàn)4E25處在第三行的范圍內(nèi)（0000 0800 - 0000 FFFF），因此嚴(yán)的 UTF-8 編碼需要三個字節(jié)，即格式是1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。然后，從嚴(yán)的最后一個二進(jìn)制位開始，依次從后向前填入格式中的x，多出的位補(bǔ)0。這樣就得到了，嚴(yán)的 UTF-8 編碼是11100100 10111000 10100101，轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制就是E4B8A5。
六、Unicode 與 UTF-8 之間的轉(zhuǎn)換
通過上一節(jié)的例子，可以看到嚴(yán)的 Unicode碼 是4E25，UTF-8 編碼是E4B8A5，兩者是不一樣的。它們之間的轉(zhuǎn)換可以通過程序?qū)崿F(xiàn)。
Windows平臺，有一個最簡單的轉(zhuǎn)化方法，就是使用內(nèi)置的記事本小程序notepad.exe。打開文件后，點擊文件菜單中的另存為命令，會跳出一個對話框，在最底部有一個編碼的下拉條。
里面有四個選項：ANSI，Unicode，Unicode big endian和UTF-8。
1）ANSI是默認(rèn)的編碼方式。對于英文文件是ASCII編碼，對于簡體中文文件是GB2312編碼（只針對 Windows 簡體中文版，如果是繁體中文版會采用 Big5 碼）。
2）Unicode編碼這里指的是notepad.exe使用的 UCS-2 編碼方式，即直接用兩個字節(jié)存入字符的 Unicode 碼，這個選項用的 little endian 格式。
3）Unicode big endian編碼與上一個選項相對應(yīng)。我在下一節(jié)會解釋 little endian 和 big endian 的涵義。
4）UTF-8編碼，也就是上一節(jié)談到的編碼方法。
選擇完"編碼方式"后，點擊"保存"按鈕，文件的編碼方式就立刻轉(zhuǎn)換好了。
七、Little endian 和 Big endian
上一節(jié)已經(jīng)提到，UCS-2 格式可以存儲 Unicode 碼（碼點不超過0xFFFF）。以漢字嚴(yán)為例，Unicode 碼是4E25，需要用兩個字節(jié)存儲，一個字節(jié)是4E，另一個字節(jié)是25。存儲的時候，4E在前，25在后，這就是 Big endian 方式；25在前，4E在后，這是 Little endian 方式。
這兩個古怪的名稱來自英國作家斯威夫特的《格列佛游記》。在該書中，小人國里爆發(fā)了內(nèi)戰(zhàn)，戰(zhàn)爭起因是人們爭論，吃雞蛋時究竟是從大頭(Big-endian)敲開還是從小頭(Little-endian)敲開。為了這件事情，前后爆發(fā)了六次戰(zhàn)爭，一個皇帝送了命，另一個皇帝丟了王位。
第一個字節(jié)在前，就是"大頭方式"（Big endian），第二個字節(jié)在前就是"小頭方式"（Little endian）。
那么很自然的，就會出現(xiàn)一個問題：計算機(jī)怎么知道某一個文件到底采用哪一種方式編碼？
Unicode 規(guī)范定義，每一個文件的最前面分別加入一個表示編碼順序的字符，這個字符的名字叫做"零寬度非換行空格"（zero width no-break space），用FEFF表示。這正好是兩個字節(jié)，而且FF比FE大1。
如果一個文本文件的頭兩個字節(jié)是FE FF，就表示該文件采用大頭方式；如果頭兩個字節(jié)是FF FE，就表示該文件采用小頭方式。
八、實例
下面，舉一個實例。
打開"記事本"程序notepad.exe，新建一個文本文件，內(nèi)容就是一個嚴(yán)字，依次采用ANSI，Unicode，Unicode big endian和UTF-8編碼方式保存。
然后，用文本編輯軟件UltraEdit 中的"十六進(jìn)制功能"，觀察該文件的內(nèi)部編碼方式。
1）ANSI：文件的編碼就是兩個字節(jié)D1 CF，這正是嚴(yán)的 GB2312 編碼，這也暗示 GB2312 是采用大頭方式存儲的。
2）Unicode：編碼是四個字節(jié)FF FE 25 4E，其中FF FE表明是小頭方式存儲，真正的編碼是4E25。
3）Unicode big endian：編碼是四個字節(jié)FE FF 4E 25，其中FE FF表明是大頭方式存儲。
4）UTF-8：編碼是六個字節(jié)EF BB BF E4 B8 A5，前三個字節(jié)EF BB BF表示這是UTF-8編碼，后三個E4B8A5就是嚴(yán)的具體編碼，它的存儲順序與編碼順序是一致的。
九、延伸閱讀
- The Absolute Minimum Every Software Developer Absolutely, Positively Must Know About Unicode and Character Sets（關(guān)于字符集的最基本知識）
- 談?wù)刄nicode編碼
- RFC3629：UTF-8, a transformation format of ISO 10646（如果實現(xiàn)UTF-8的規(guī)定）
（完）
